Формы изменчивости, их значение в онтогенезе и эволюции
Изменчивость – св-во живых систем приобретать изменения и сущ-ть в разл-ых вариантах.
Благодаря наследственности достигается единообразие плана строения, механизмов развития и жизнеобеспечения организмов 1го вида. Разнообразие деталей строения и физиол-их отправлений особей, наблюдаемое на фоне указанного единообразия, зависит от изменчивости.
Изменчивость является результатом различных процессов. Некоторые из них происходят в наследственном материале (генотипе). Другие ограничиваются фенотипом. В соответствии с этим выделяют изменчивость генотипическую и фенотипическую. Фенотипическая подразделяется на модификационную и случайную; а генотипическая, в зависимости от природы измен-хся кл, - на генеративную и соматическую с выделением в них мутационной и комбинативной изменчивости.
Модификационная изменчивость. Адаптивный характер модификаций. Норма реакции генетически детерминированных признаков. Пенетрантность и экспрессивность проявления действия генов. Роль наследственности и среды в развитии, обучении и воспитании человека.
Ненаследственная: фенотипическая (модификационная). Модификации – фенотип-ие изменения, возникающие под влиянием условий ср. Возникшее конкретное модиф-ное изменение признака не наследуется, но диапазон модификационной изменчивости (норма реакции) ген-ки обусловлен и наследуется. Модификационные изменения не влекут за собой изм-ий генотипа.
Степень фенотипического проявления гена – экспрессивность, зависит от факторов внеш. ср. и влияния др факторов. Кол-но степень экспрессивности измеряется с помощью статистики. Бывает постоянная (аллели группы крови), изменчивая (разные формы гипертонии, шизофремии).
Пенетрантность – частота проявления гена, выраженная в процентном соотношении числа особей имеющих данный признак к числу особей имеющих данный ген. Может быть полной (аллель проявляется у всех особей) и неполной (аллель проявляется не у всех особей). Различная степень пенетрантности и экспрессивности имеет огромное значение для медицины.
Наследственность и среда. В генетической информации заложена способность развития определенных свойств и признаков. Эта способность реализуется лишь в определенных условиях среды. Одна и та же наследственная информация в разных условиях среды может проявляться по-разному. Так, у комнатного растения примулы окраска цветков (красная или белая), у кроликов гималайской породы и сиамских кошек характер отложения пигмента в волосяном покрове на различных частях тела определяется температурными условиями (темная шерсть на более охлаждающихся участках). Следовательно, наследуется не готовый признак, а определенный тип реакции на воздействие внешней среды. Диапазон изменчивости, в пределах которой в зависимости от условий среды один и тот же генотип способен давать различные фенотипы, получил название нормы реакции.
Мутационная изменчивость. Классификация мутаций: генные, хромосомные, геномные. Мутации в половых и соматических клетках. Репарация генетического материала. Мутации, связанные с нарушением репарации, их роль в патологии. Фенотипический эффект мутаций. Закон гомологических рядов (Н.И. Вавилов).
Мутационная изменчивость – обусловлена реорганизацией воспроизводящих структур, изменением ее генетического аппарата. Мутации возникают независимо, скачкообразно, что иногда резко отличает организм от исходной формы. С мутационной изменчивостью связана эволюция – процесс образования новых видов, сортов и пород. Выделяют: а) геномная – мутации, связанные с изменением числа хромосом, увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных наборов в результате нарушения мейоза (полиплоидия) или число хромосом, в результате нарушения митоза и мейоза, изменяется и становиться не кратным гаплоидному набору; б) хромосомные – возникают в результате перестройки хромосом, вследствие потери хромосомой участка, включением лишнего дублирующего участка хромосомы, приразрыве и перевороте участка на 1800 или участок хромосомы из одной пары прикрепляется к негомологичной хромосоме; в) генные – затрагивают структуру самого гена, могут изменять уч-ок м-лы ДНК различной длины; г)соматические и генеративные – мутации возникают в любых кл-х.
Известно, что мутирование происходит в различных направлениях. Однако это многообразие подчиняется определенной закономерности. Это позволило Н.И. Вавилову сформулировать закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: «Виды и роды. генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть существование параллельных форм у других видов и форм».
Вавилов указал, что гомологические ряды часто выходят за пределы родов и даже семейств. Закон гомологических рядов позволяет предвидеть воз-ть появления мутаций, еще и не известных науке, к-ые могут использоваться в селекции для создания новых ценных для хоз-ва форм.
Мутация – это скачкообразное изменение генетического материала под влиянием факторов внешней и внутренней среды передающееся по наследству. Основы учения о мутациях были заложены Г. де Фризом (1901 г.). Положения:
· Мутации возникают внезапно
· Мутационные формы устойчивы
· Мутации это качественные изменения которые не образуют непрерывных рядов
· Мутации возникают в разных направлениях
· Выявление мутаций зависит от числа проанализированных особей
· Одни и те же мутации могут возникнуть повторно.
Ошибка Г. де Фриза: в результате мутации, без естественного отбора сразу могут возникнуть новые виды.
Мутагенные факторы воздействуют следующим образом:
Ø Физический мутаген – образование свободных радикалов взаимодействующих с ДНК, разрыв нитей веретена деления, образование димеров
Ø Химический фактор – это различные препараты, гормоны и т.д.
Ø Ингибирование синтеза предшественников нуклеиновых кислот, замена азотистых оснований, дезоминирование, биологические мутагены.
Ø Воздействие токсинов как химических мутагенов и встраивание вирусного генома в ДНК клетки хозяина – вирогения.
Классификация мутаций:
Ø По воздействию на ДНК в клетке: а) ядерные мутации; б) цитоплазматические мутации.
Ø По мутированным клетка: а) соматические мутации; б) генеративные мутации.
Ø По причинам их возникновения: а) индуцированные; б) спонтанные.
Ø По исходу для организма: а) полулетальные; б) детальные; в) нейтральные; г) положительные.
Ø По изменения генетического материала: а) геномные мутации – изменения числа хромосом; б) хромосомные перестройки – это изменение структуры хромосомы; в) генные мутации – изменение структуры гена.
Репарация генетическая — процесс устранения генетических повреждений и восстановления наследственного аппарата, протекающий в клетках живых организмов под действием специальных ферментов. Способность клеток к репарации генетических повреждений впервые была обнаружена в 1949 году американским генетиком А.Кельнером. В дальнейшем были исследованы многообразные механизмы удаления поврежденных участков наследственного материала, обнаружено, что реперация генетическая присуща всем живым организмам. По-видимому, способность к репарации генетической повреждений появилась на ранних этапах развития жизни на Земле и совершенствовалась по мере эволюции живых существ: ферменты репарации имеются у древнейших представителей растительного и животного мира. К настоящему времени обнаружено большое количество специализированных репарирующих ферментов, а также гены контролирующие их синтез в клетках. Доказано, что изменения в этих генах повышают чувствительность организма к неблагоприятным и повреждающим факторам, способствуют возрастанию наследственных изменений — мутаций, возникновению болезней и преждевременному старению. Установлено, что некоторые наследственные болезни человека развиваются в связи с нарушениями синтеза репарирующих ферментов. Детально изучены две формы репапрации генетической — фотореактивация и темновая репарация.
Фенотипический эффект мутаций может выражаться либо в утрате функции, либо в, приобретении новой функции.
Гомологические ряды в наследственной изменчивости — понятие, введенное Н. И. Вавиловым при исследовании параллелизмов в явлениях наследственной изменчивости по аналогии с гомологическими рядами органических соединений. Закон гомологичных рядов: Генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Суть явления состоит в том, что при изучении наследственной изменчивости у близких групп растений были обнаружены сходные аллельные формы, которые повторялись у разных видов (например, узлы соломины злаков с антоциановойокраской или без, колосья с остью или без и т. п.). Наличие такой повторяемости давало возможность предсказывать наличие ещё не обнаруженных аллелей, важных с точки зрения селекционной работы. Поиск растений с такими аллелями проводился в экспедициях в предполагаемые центры происхождения культурных растений. Следует помнить, что в те годы искусственная индукция мутагенеза химическими веществами или
воздействием ионизирующих излучений ещё не была известна, и поиск необходимых аллелей приходилось производить в природных популяциях.
Хромосомные мутации, механизмы их возникновения. Понятие о хромосомных и генных болезнях. Мутагенные и канцерогенные факторы. Генетическая опасность загрязнения окружающей среды, меры защиты среды. Цитоплазматическая наследственность.
Хромосомные аберрации возникают в результате перестройки хромосом. Они являются следствием разрыва хромосом, приводящего к образованию фрагментов, которые в дальнейшем воссоединяются, но при этом нормальное строение хромосомы не восстанавливается.
Генетические болезни: нарушение ферментативных систем (инзимопатия); дефекты белков крови (гемоглабинопатия); дефекты структурных белков (кологеные белки).
В нач. 20в. были обнаружены факты, которые доказывали наличие в клетке внехромосомного наследственного материала, располагающегося в различных цитоплазматических структурах и определяющего особую цитоплазматическую наследственность.
Хромосомные мутации, хромосомные перестройки или аберрации заключаются в изменении количества или перестраивании наследственного материала хромосом. Их рассматривают как рекомбинации генов, имеющих в отличие от мейотической рекомбинации нерегулярный характер. Некоторые виды таких мутаций диагностируются по изменению морфологии метафазных хромосом с помощью микроскопа. Перестройки подразделяют на внутрихромосомные и межхромосомные. Внутрихромосомные перестройки заключаются в утрате части хромосомы (делеция), удвоении или умножении некоторых ее участков (дупликация), повороте фрагмента хромосомы на 180 с изменением последовательности расположения генов (инверсия). Дупликации и делеции приводят к изменению дозы генов, поэтому их рассматривают также как частичные три- или моносомии по соответствующим хромосомам. При межхромосомных перестройках негомологичные хромосомы обмениваются участками, т.е. происходит транслокация наследственного материала. Часты комбинированные нарушения морфологии хромосом, например сочетание делеции и транслокации. Некоторые виды хромосомных аберраций приводят к изменению генного состава групп сцепления (делеции, дупликации, транслокации), другие(инверсии) – нет. Во втором случае отклонения в феноме мутанта обусловливаются эффектом положения, а частота хромосомных перестроек зависит от влияния внешних факторов и состояния организма. Механизмы возникновения разных видов мутаций различны, однако во всех случаях имеет место разрыв хромосомы с возможным соединением фрагментов в последующем. К хромосомным мутациям приводит первичное изменение физико-химического состояния вещества хромосомы.
При индукции хромосомных аберраций ионизирующим излучением повреждения хромосом, вопреки теоретическим ожиданиям, распределяются неслучайным образом. Наблюдается предпочтительная локализация разрывов в гетерохроматиновых участках. Избирательное распределение мутаций в еще большей степени наблюдается при химическом мутагенезе.
Хромосомные мутации изменяют дозу некоторых генов, вызывают перераспределение генов между группами сцепления, меняют локализацию их в группе сцепления. Этим они нарушают генный баланс клеток организма, в результате чего происходят отклонения в соматическом и психологическом развитии особи. Как правило, изменение распространяются на несколько систем органов. У человека наиболее часто отмечаются пороки развития головного мозга, опорно-двигательной, сердечно-сосудистой, мочеполовой систем. Наблюдается умственная отсталость разной степени выраженности в сочетании с физическим недоразвттием. Отклонения со стороны половой системы функционально проявляются в первичном бесплодии мужчин и женщин, привычном невынашивании беременности. При доношении беременности у таких женщин рождаются дети с небольшой массой тела. Тяжесть фенотипических нарушений корректирует с количеством утраченного или дополнительного наследственного материала. Конкретное выражение изменений фенотипа зависит от локализации мутации в той или иной хромосоме или в ее участке. Мутации по аутосомам, как правило, приводят к более неблагоприятным последствиям, чем по половым хромосомам.
Человек как специфический объект генетического анализа. Методы изучения генетики человека. Медико-генетический аспект брака, медико-генетическое консультирование. Значение генетики для медицины.
Гибридологический метод не применим!
Клиноко-гениалогический – в к. 19в. Гальтон, основан на построении родственных связей и прослеживании в ряду поколений определенного признака. Этапы: сбор данных обо всех родственниках пробанда; построение родственных связей; анализ и вывод. Позволяет установить: является ли признак наследственным; тип и характер наследования; зиготность лиц родителей; пенетрантность гена; вероятность рождения ребенка с данной патологией.
Близнецовый – позволяет выявить соотносительную роль генотипа и ср, пенетрантность аллеля.
Популяционно-статистический – основан на использовании закона Харди-Вайнберга, позволяющего определить частоту генов и генотипов в популяциях людей.
Цито-генетический – основан на микроскопическом исследовании кариотипа. Этапы: культивирование клеток человека на искусственных средах, производится ряд монипуляций, делается фото кариотипа, далее построение идиограммы.
Биохимические – на изучении активности ферментных систем, позволяющих выявить генные мутации, причины болезней и обмена в-тв. С помощью биохимических нагрузочных тестов можно выявить гетерозиготных носителей патологических генов.
Рекомбинантной ДНК – позволяет анализировать фрагменты ДНК находить, изолировать отдельные гены (сегменты) и устанавливать в них последовательность нуклеотидов.
Метод генетики соматических клеток – дают возможность изучить многие вопросы генетики в эксперименте. Для культивирования используются фибробласты и лимфоциты на искусственных питательных средах.
Биологическое моделирование определенных наследственных аномалий человека можно проводить на мутантных линиях животных, имеющих сходные нарушения.
Математическое моделирование – создание и изучение математических моделей. Применяется, когда невозможно использовать эксперименты.
Пренатальная дородовая диагностика.
Иммунологический – при изучении наследственных резус-факторов при резус-конфликте в организме женщины.
Дерматоглифика – изучает кожные узоры на пальцах, ладони, стопы. Нарушение узоров соответствует болезням, вспомогательный метод при исследовании болезней.
Генетика человека – наука, изучающая закономерности наследования нормальных и патологических признаков человека. Известно более 4000 наследственных болезней человека. 2,5% новорождённых имеют наследственные болезни. 40% случаев детской смертности и инвалидности. Человек сложный объект генетических исследований. Положительные моменты:
· Хорошо изученный генотип
· Специфичность многих заболеваний человека
· Членораздельная речь
· Международное сотрудничество между генетиками мира
· Человек лучше других изучен клинически
Отрицательные моменты:
· Низкая плодовитость
· Позднее половое созревание
· Редкая смена поколений
· Невозможность экспериментирования
· Сложный кариотип и большое число групп сцепления
· Невозможность создания одинаковых условий жизни
· Отсутствие точной регистрации в семьях
· Отсутствие гомозиготных чистых линий
Генеалогический методсостоит в изучении родословных на основе менделевских законов наследования и пoмoгaeт установить характер наследования признака (доминантный или рецессивный).
Близнецовый метод состоит в изучении различий между однояйцевыми близнецами. Этот мeтoд предоставлен самой природой. Он помогает выявить влияние условий среды на фенотип при одинаковых генотипах.
Выросшие в одинаковых условиях однояйцевые близнецы имеют поразительное сходство не только в морфологических признаках, но и в психических и интеллектуальных особенностях. С помощью близнецового метода выявлена роль наследственности в ряде заболеваний.
Популяционный метод. Популяционная генетика изучает генетические различия между отдельными группами людей (популяциями), исследует закономерности географического распространения генов.
Цитогенетический методоснован на изучении изменчивости и наследственности на уровне клетки и субклеточных структур. Установлена связь ряда тяжелых заболеваний с нарушениями в хромосомах.
Хpoмocoмные нарушения встречаются у 7 из каждой тысячи новорожденных, и они же приводят к гибели эмбриона (выкидыш) в первой трети беременности в половине всех случаев. Если ребенок с хромосомными нарушениями рождается живым, то обычно страдает тяжелыми недугами, отстает в умственном и физическом развитии.
Биохимический методпозволяет выявить многие наследственные болезни человека, связанные с нарушением обмена веществ. Известны аномалии углеводного, аминокислотного, липидного и других типов обмена веществ.
Так, например, сахарный диабет обусловлен нарушением нормальной деятельности поджелудочной железы – она не выделяет в кровь необходимое количество гормона инсулина, в результате чего повышается содержание сахара в крови. Это нарушение вызывается не одной грубой ошибкой в генетической информации, а целым набором небольших ошибок, которые все вместе приводят или предрасполагают к заболеванию.
Методы пренатальной диагностики:
· Непрямое – исследование матери
· Прямое – исследуется плод (неинвазионные) – УЗИ, рентген, ЭКГ. Инвазионные методы – хорион биопсия – взятие хориона по контролем УЗИ между 8 и 12 неделями, выявляются все мутации; амниоцентез - получение амниотической жидкости и клеток (иногда), между 13 и 22 неделями, выявляются по жидкости генные мутации, по клеткам – геномные и хромосомные мутации.
Медико-генетическое консультирование должно стать составляющей комплекса мер, направленных на охрану здоровья матери и ребенка, на снижение пренатальной смертности, поэтому особое значение следует придать пропаганде знаний в области клинической генетики для практических врачей акушеров-гинекологов, неонатологов, невропатологов, терапевтов, онкологов. Важным профилактическим мероприятием возникновения различных аномалий у потомков есть широкая санитарно-просветительная пропаганда, как среди взрослого населения, так и среди подростков, которые станут родоначальниками новых, физически и умственно здоровых поколений.
Задачей медицинской генетики является выявление, изучение, профилактика и лечение наследственных болезней, а также разработка путей предотвращения вредного воздействия факторов среды на наследственность человека.
Р-2